Die Verfahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen bewegter Komponenten in Maschinen und Anlagen steigen stetig. Komplexe Prozesse zu automatisieren, stellt daher sehr hohe Anforderungen bezüglich der Auswahl geeigneter Komponenten. Präzision und vor allem Dynamik lauten hier die Schlagworte. Um diesen Anforderungen gerecht werden zu können, kommt bei bewegten Applikationen den Führungskettensystemen eine hohe Bedeutung zu. Die Qualität dieser Systeme kann allerdings nur so gut sein, wie die verwendeten Komponenten – sprich Kabel und Leitungen – selbst. Was die Mechanik betrifft, sind hierbei folgende Belastungen zu berücksichtigen:

Zug und Schub

Hierbei wirken Kräfte in Längsrichtung auf die Leitung ein. Zug- und Schubbelastungen lassen sich prinzipiell weiter differenzieren in:

• Statisch: Tauchpumpenzuleitungen im Brunnenschacht unterliegen beispielsweise der Erdanziehungskraft (vertikal hängend).

• Dynamisch: Horizontal bewegte Leitungen in einer Führungskette unterliegen Beschleunigungen. Hieraus resultieren Kräfte, die auf die Kabel und Leitungen wirken (horizontal bewegt).

• Statisch und dynamisch: Vertikal bewegte Leitungen in Führungsketten, die sowohl der Erdanziehungskraft als auch Beschleunigungs- und Bremsvorgängen unterliegen. In diesem Zusammenhang sind zum Beispiel Aufzüge oder Hochregallager zu nennen

Führungskettentaugliche Kabel und Leitungen sind einem Biegebereich entlang der gesamten Leitung ausgesetzt und unterliegen kontinuierlichem Wechselbiegen.

© U.I. Lapp

Biegung

Hinsichtlich Biegung sind drei unterschiedliche Formen unterscheidbar:

• einfaches Biegen (tick/tock) – Biegung an einer definierte Knickstelle;
• kontinuierliches Wechselbiegen –  Biegebereich entlang der gesamten Leitung;
• kontinuierliches Wechselbiegen unter Zwangsführung (zum Beispiel Umlenkrollen).

Führungskettentaugliche Anschluss- und Steuerleitungen tragen beispielsweise bei Lapp die Bezeichnung „Ölflex FD“ oder „Ölflex Chain“. Der Begriff FD ist abgeleitet vom Wort „feinstdrähtig“, was dem Litzenleiteraufbau nach VDE 0295 beziehungsweise IEC 60228 Klasse 6 entspricht. Eine zunehmende Internationalisierung hat allerdings dazu geführt, dass künftige Produkte vorzugsweise unter Ölflex Chain in die Märkte eingeführt werde

Torsion

Das Thema Torsion ist hauptsächlich bei Roboteranwendungen zu betrachten. Auch hierfür gibt es heute spezielle Leitungen, die erhöhten Torsionsbeanspruchungen standhalten. Wirft man einen Blick auf den konstruktiven Aufbau von FD/Chain-Leitungen, so unterscheidet sich dieser elementar von dem der „Robot“-Leitungen. Das heißt: Während Führungskettenleitungen kurz verseilt werden, um die während der Biegung auftretende relative Ausgleichsbewegung der einzelnen Adern zueinander zu ermöglichen, geht der Trend bei Robot-Leitungen zu deutlich längeren Verseilschlaglängen. Unter dem Begriff „Verseilschlaglänge“ versteht man die Länge der Strecke, die eine einzelne Ader innerhalb des Aderverbands für eine 360°-Umdrehung benötigt.

Um den genannten (Grund-)Belastungen flexibler Kabel und Leitungen dauerhaft standzuhalten, bedarf es speziellen Anforderungen an das Kabeldesign und die Werkstoff-Auswahl. Folgende Parameter sind daher von Interesse: geforderte Verfahrweglänge, maximale Beschleunigungs- und Geschwindigkeitswerte, Mindestbiegeradien der Kabel und Leitungen, Gewicht aller bewegten Komponenten (Kabel und Leitung, Führungskette, Tragorgane) und die angestrebte Lebensdauer-Erwartung des Systems.

Die Materialauswahl entscheidet

Die für Kabel und Leitungen heute üblicherweise eingesetzten Werkstoffe unterscheiden sich in ihrem molekularen Aufbau und somit in ihren grundlegenden physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Flammwidrigkeit und Beständigkeit gegen gewisse Öle. Zwar dominieren im Bereich der Isolationsmaterialien weiterhin PVC-isolierte Leitungen den Markt; daneben kommen aber durchaus andere Werkstoffe zum Einsatz, wie beispielsweise thermoplastische Elastomere (TPE) oder PP. Auch in Bezug auf Mantelmaterialien hat sich PVC gehalten, wenngleich sich auch TPE- oder PUR-ummantelte Leitungen für diese Zwecke eine entsprechende Daseinsberechtigung erarbeitet haben.

PVC punktet mit einer relativ guten mechanischen Festigkeit, mit einem guten Isolationswiderstand und Flexibilität zu einem günstigen Preis. PP zeichnet sich mitunter durch niedere Dichte, hohe Steifigkeit, Härte und Zugfestigkeit aus. Wie auch beim PVC handelt es sich hierbei um Thermoplaste. Etherbasierendes PUR schließlich stellt Mikrobenbeständigkeit sicher und punktet darüber hinaus mit hoher Verschleißfestigkeit, Zugfestigkeit, Beständigkeit gegen gewisse Öle sowie guter Flexibilität. Es handelt sich hierbei um thermoplastische Elastomere.

Beispielhaftes Beschleunigungsprofil führungskettentauglicher Leitungen: Bedingt durch die Massenträgheit ist die maximale Beschleunigung abhängig von der Verfahrweglänge.

© U.I. Lapp

Grundsätzlich lässt sich sagen, dass Kabel und Leitungen im Bereich hochdynamischer Anwendungen Beschleunigungswerten von bis zu 50 m/s2 standhalten müssen. Doch nicht die Beschleunigung steht bei der Materialauswahl im Vordergrund, vielmehr geht es dabei gleichermaßen um sehr abrupte Verzögerungsvorgänge. Innerhalb eines Bruchteiles einer Sekunde wird die Leitung bis zum Stillstand abgebremst – und genau hierfür ist eine gewisse Eigensteifigkeit der Leitung unabdingbar. Diese muss durch geeignete Isolationsmaterialien sichergestellt werden, um die Eigenschwingung der Leitung zu minimieren. Denn letztlich führt bei den sehr hohen Kräften, die im System „Führungskette“ bei hochdynamischen Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen entstehen, eine fehlerhafte Materialauswahl definitiv zu Leiterbrüchen.  

Während Kupfer nahezu unverwüstlich ist, unterliegen die Isolations- und Mantelwerkstoffe unweigerlich gewissen Alterungsprozessen, bedingt durch das Gleit- und Abriebverhalten im Wechselspiel mit der Führungskette. Ergo handelt es sich hier um Verschleißteile, die regelmäßig ersetzt werden müssen. Um gezielte Aussagen im Hinblick auf die zu erwartende Anzahl von Wechselbiegezyklen (Lebensdauer) treffen zu können, werden FD/Chain-Leitungen bei Lapp stets inten­siven und vor allem praxisnahen Tests unterzogen. Hierfür stehen zahlreiche Führungsketten-Testanlagen mit unterschiedlichen Verfahrweglängen, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbereichen zur Verfügung. Um hochdynamischen Einsatzfeldern gerecht zu werden, sind dabei Verfahrgeschwindigkeiten bis maximal 10 m/s und Beschleunigungen bis zu 100 m/s2 möglich.

Hinsichtlich des Biegeradius der Leitungen gilt: Je größer der Mindestbiegeradius einer Leitung ist, desto größer der Platzbedarf der Führungskette in der Maschine. Neben dem Mindestbiegeradius spielt im Hinblick auf den benötigten Platzbedarf der physikalische Aufbau der Leitung eine Rolle. In der Vergangenheit haben sich zwei unterschiedliche Verseiltechniken etabliert:

• Lagenverseilung (Adern in konzentrischen Lagen um die Leitungsachse platziert);
• Bündelverseilung (mehrere Adern in Bündeln zusammengefasst und mit anderen Bündeln um die Leitungsachse verseilt).

Als wesentliche Vorteile lagenverseilter Führungskettenleitungen sind geringere Außendurchmesser (variiert je nach Querschnitt und Aderzahl) und leichtere Abmantel-/Abisolierbarkeit zu nennen. Ohnehin wird das Verfahren „Bündelverseilung“ erst bei größeren Aderzahlen (≥12) angewendet. Was die Lebensdauer betrifft, haben sich nach zahlreichen Tests im eigenen Prüflabor keine nennenswerten Unterschiede der beiden Verseiltechniken herauskristallisiert. Als Vorteil bündelverseilter Leitungen bleibt eine höhere Beständigkeit gegenüber Torsionsbelastungen zu nennen. Bedingt durch einen geringeren Außendurchmesser lagenverseilter im Vergleich zu bündelverseilten Kabeln und Leitungen benötigt man weniger Platz in der Kette, was durchaus zur Auswahl einer kleineren Kette führen kann. Denn die Auswahl der Führungsketten muss entsprechend den Erfordernissen der benötigten Leitungen erfolgen und nicht umgekehrt!

Darüber hinaus ist das Gewicht des gesamten Systems „Führungskette“ zu beachten. Gerade bei hochdynamischen Applikationen spielt das Gewicht der Leitung eine besondere Rolle. Die Kraft, die durch die Bewegungsvorgänge entsteht, ergibt sich bekanntlich aus dem Produkt von Masse und Beschleunigung. Um bei steigenden Anforderungen in Bezug auf Beschleunigungswerte eine enorme Kräfteentwicklung zu vermeiden, gilt es die Masse aller bewegten Teile zu reduzieren. Hierzu zählen neben der Leitung die Führungskette sowie alle weiteren bewegten Elemente wie Tragorgane und Führungsschlitten. Wie bereits erwähnt, erlangt man durch Lagenverseilung einen geringeren Außendurchmesser und hieraus resultierend ein niedrigeres spezifisches Gewicht der Leitung. Dies hat zur Folge, dass die Flächenbelastung der Führungskette geringer ist und somit bei geringerem Energieverbrauch höhere Beschleunigungswerte möglich sind.

Bezüglich Verlegung der Kabel und Leitungen in der Führungskette bleibt anzumerken, dass Verfahrwege stets so kurz wie möglich zu halten sind und aufeinander abgestimmte Komponenten zu verwenden sind. Denn nicht jede Führungskette ist für Beschleunigungen bis zu 50 m/s2 ausgelegt. Speziell bei hochdynamischen Anwendungen gilt, dass die Ketten so leicht wie möglich, dabei aber so fest wie nötig sein sollen. Zudem müssen Führungsketten eine gewisse Verwindungssteifigkeit aufweisen. Trennstege sollen variabel versetzbar sein, und auch das aus der Interaktion resultierende Abriebverhalten der Leitungsmäntel an Trennstegen ist zu berücksichtigen. Führt man Leitungen unterschiedlicher Durchmesser in der Führungskette, so ist darauf zu achten, dass diese durch Trennstege getrennt verlegt werden. Zudem ist die Anordnung von Leitungen übereinander ohne Verwendung von Trennstegen zu vermeiden. Nicht zuletzt ist zu berücksichtigen, dass die Leitungen drallfrei in die Führungskette eingebracht werden und sich Kabel und Leitungen im Krümmungsradius vollkommen frei bewegen können. Mit anderen Worten: Es darf keine Zwangsführung durch die Kette erfolgen, damit eine gewisse Relativbewegung der Leitungen untereinander und zur Kette möglich ist. Nur so lässt sich ein funktionsgerechter Einsatz in hochdynamischen Anwendungen sicherstellen.

Autor: Lucas Kehl ist Produktmanager bei der Firma U.I. Lappin Stuttgart.